Conception électronique - Analyse d'intégrité de puissance de conception de carte PCB

Dans la conception de PCB, fournir une tension stable et une distribution de tension appropriée pour le signal sont les deux objectifs fondamentaux de la conception du système d'alimentation. Avec l'apparition de problèmes d'intégrité du signal, la réflexion, la diaphonie, etc. affectent tous la stabilité du système électrique. Couplé à la diminution constante de la tension de fonctionnement de la puce, les fluctuations de l'alimentation affecteront le bon fonctionnement du système. L'analyse d'intégrité de l'alimentation est effectuée pour s'assurer que l'alimentation dans le PCB est stable et fiable.

Aperçu de l'analyse de l'intégrité électrique

L'intégrité de puissance fait référence à la qualité de la forme d'onde de puissance dans un système. Avec l'augmentation de la vitesse de commutation de la sortie IC, la vitesse de bord du signal, c'est - à - dire le temps de montée et de descente du signal, diminue rapidement et la ligne électrique subit une chute de tension importante en raison de son inductance parasite. Pour un taux de bord de signal inférieur à 1 NS, la tension entre la couche d'alimentation et la couche de terre sur le PCB sera différente partout sur la carte, ce qui affectera la stabilité de l'alimentation de la puce et conduira même à la logique de la puce.

Les facteurs qui contribuent à l'instabilité du système d'alimentation sont le bruit de commutation synchrone, les influences d'impédance d'alimentation non idéales, la résonance et les effets de bord. En général, le bruit de commutation synchrone est la principale source de bruit d'alimentation. En raison de l'inductance parasite du fil de masse et du plan, certaines fluctuations de tension sont induites sous l'effet du courant de commutation.

C'est - à - dire que la masse de référence du dispositif n'est plus au niveau zéro. Le niveau du sol transmis par l'extrémité motrice va donc changer. La forme d'onde interférente correspondante apparaît. La phase de la forme d'onde perturbatrice est identique à celle du bruit au sol. Pour la forme d'onde du signal de commutation, l'influence du bruit de terre provoque un ralentissement du Front descendant du signal; En réception, la forme d'onde du signal est également perturbée par le bruit du sol. Cependant, la phase de la forme d'onde perturbatrice est opposée à celle du bruit au sol. En outre, dans certains composants de stockage, le bruit d'alimentation et le bruit de mise à la terre peuvent provoquer une inversion inattendue des données.

Dans les circuits haute fréquence, il existe un grand nombre de paramètres parasites dans le plan de puissance. Ces paramètres parasites peuvent être considérés comme un réseau résonant LC ou une cavité résonante composée de nombreuses inductances et capacités. À une certaine fréquence, ces condensateurs et inductances résonnent, ce qui affecte l'impédance de la couche de puissance. Outre l'effet de résonance, l'effet de bord du plan d'alimentation et du plan de masse est également un problème à surveiller dans la conception de l'alimentation. Les effets de bord se réfèrent ici aux phénomènes de réflexion et de rayonnement de bord. La surface recouverte de cuivre sur les bords de la carte est de taille limitée et est donc sujette aux problèmes d'interférences électromagnétiques. Les condensateurs de découplage sont souvent ajoutés dans l'ingénierie pour réduire les effets de rayonnement de bord, dans le but de supprimer le bruit du plan de puissance.

Bruit de commutation synchrone

Le bruit de commutation synchrone (SSN) est principalement généré par la sortie de commutation synchrone fournie avec l'appareil. Plus la vitesse de commutation est rapide, plus la variation de courant instantanée est importante et plus l'inductance sur la boucle de courant est importante, plus le bruit de commutation synchrone généré est important. On voit que l'ampleur du bruit de commutation synchrone dépend des caractéristiques d'entrée / sortie du circuit intégré, de l'impédance du plan d'alimentation et du plan de masse de la carte PCB, ainsi que de la disposition et du câblage du dispositif haute vitesse sur le PCB.

Selon différents chemins de retour, le bruit de commutation synchrone peut être divisé en bruit de commutation hors puce et bruit de commutation sur puce. Bruit de commutation hors puce désigne le bruit généré lorsque le courant renvoyé par le commutateur de signal traverse la ligne de signal et le plan d'alimentation / masse; Si l'état de commutation change, le chemin de retour du courant passe par l'alimentation et la masse au lieu de la ligne de signal, et le bruit à ce moment est le bruit de commutation sur la puce. La réduction du bruit de commutation dans la puce est principalement obtenue en diminuant la tension induite en diminuant l'inductance du trajet parcouru par le signal de commutation ou en ralentissant la vitesse de variation du signal de commutation. La réduction du bruit de commutation hors puce peut être obtenue en réduisant la vitesse de commutation du pilote interne de la puce et le nombre de commutateurs simultanés, en utilisant la puce de vitesse de bord la plus lente capable de répondre aux exigences de la séquence temporelle; Soit en diminuant l'inductance de boucle d'encapsulation, en augmentant l'inductance de couplage du signal et de l'alimentation à la masse; Un condensateur de dérivation peut également être utilisé à l'intérieur du boîtier pour permettre à l'alimentation et à la masse de partager la boucle de courant et de réduire l'inductance équivalente de la voie de retour.

Conception de distribution d'énergie PCB

Dans une large mesure, le bruit d'alimentation provient d'un système de distribution électrique non idéal. Le système de distribution fournit suffisamment de puissance à tous les appareils du système. Ces appareils nécessitent non seulement des pertes de puissance suffisantes, mais également certaines exigences en matière de stabilité de l'alimentation. Comme il y a toujours une impédance dans le plan de puissance réel, une chute de tension se produit lorsqu'un courant instantané passe, ce qui entraîne des fluctuations de puissance. La plupart des appareils exigent des fluctuations de puissance de ± 5% de la tension normale. Pour s'assurer que chaque appareil fonctionne correctement, l'impédance du plan de puissance doit être réduite autant que possible. Dans le cas de fréquences de fonctionnement relativement élevées, il est nécessaire de calculer l'impédance continue de la résistance et l'impédance alternative induite par l'inductance. Lors du contrôle de l'impédance de l'alimentation, la résistance interne de l'alimentation peut être réduite en utilisant des matériaux de faible résistivité et des lignes d'alimentation courtes et épaisses. L'alimentation doit être aussi proche que possible du sol et des condensateurs de découplage peuvent être utilisés pour réduire la résistance de l'alimentation. Et inductance, réduisant ainsi l'impédance d'alimentation.